本文采用多种方法测量钢筋的几何形貌和腐蚀程度：质量损失法、卡尺测量法、排水量测量法、三维扫描法以及X射线显微计算机断层扫描（XCT）。
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本文内容
摘要
摘要
沿锈蚀钢筋长度方向分布的不规则且不均匀的残余截面会显著改变其力学性能，并对既有混凝土结构的安全性与性能起主导作用。因此，准确测量结构中钢筋的锈蚀几何形貌和锈蚀程度，对于评估结构的残余承载能力和服役寿命至关重要。本文介绍并比较了五种不同的钢筋锈蚀几何形貌与锈蚀量测量方法。本实验采用一根长500 mm、直径14 mm的钢筋作为试件，并对其进行加速腐蚀处理。在腐蚀前后，分别通过质量损失测量、游标卡尺测量、排水法测量、三维扫描以及X射线显微计算机断层扫描（XCT）对其形貌和锈蚀量进行了精确测量。随后评估了这五种方法的适用性与优劣。结果表明，游标卡尺是测量未锈蚀钢筋形貌的最佳选择，而三维扫描则最适合量化锈蚀钢筋的形貌特征。
引言
钢筋腐蚀是混凝土结构劣化的主要原因之一，通常由混凝土碳化和/或氯离子侵入引起。在混凝土碳化过程中，腐蚀往往呈普遍性分布；而在氯离子侵入情况下，腐蚀则更加局部化1,2。无论何种原因，腐蚀都会因腐蚀产物的径向膨胀导致混凝土保护层开裂，削弱钢筋与周围混凝土之间的粘结性能，破坏钢筋表面，并显著减小钢筋的横截面积3,4。
由于结构混凝土的非均质性以及使用环境的变化，钢筋表面及其长度方向上的腐蚀具有高度不确定性，呈现随机分布。与由混凝土碳化引起的普遍性均匀腐蚀不同，氯离子侵入导致的点蚀腐蚀会造成局部侵蚀穿透，进而使钢筋腐蚀后残余截面在钢筋表面和长度方向上均产生显著差异。其结果是钢筋的强度和延性降低。已有大量研究探讨了腐蚀对钢筋力学性能的影响5,6,7,8,9,10<....
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方案
1. 样品与制造工艺的测试
- 取一根长度为 500 mm、直径为 14 mm 的普通钢棒（Q235 级）用于制作试件。
- 使用细砂纸打磨钢棒表面，以去除表面的氧化铁皮。
- 使用切割机从钢棒左端起分别在 30 mm 和 470 mm 处进行切割，如图 1 所示。
- 使用电子天平测量三个钢棒试件的质量。
- 采用第 2 步中描述的五种方法测量三个试件的直径，并记录未腐蚀钢棒试件的测量结果。
- 采用电化学方法对 440 mm 长的钢棒试件进行腐蚀，具体步骤如下：
- 用绝缘胶带牢固包裹钢棒试件两端各 70 mm 的区域。将一根导线连接至 440 mm 钢棒试件的一端。
- 按 1:1 的比例将粘合剂与固化剂混合，制成环氧树脂。将环氧树脂均匀涂覆于钢棒试件两端已绝缘的 70 mm 区域，以防止两端发生腐蚀。
- 将 440 mm 长的钢棒试件放入塑料水箱中，箱内盛有 3.5% NaCl 溶液作为电解质，并以铜板作为阴极。
- 将钢棒试件的一端连接至直流（DC）电源的正极，将阴极铜板连接至负极，构成电路，以实现对钢棒试件的加速腐蚀。
- 开启直流电源，对钢棒试件施加 2.5 μA/cm2 的恒定直流电流，持续整个腐蚀过程。
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结果
图6展示了使用游标卡尺沿500 mm长未腐蚀钢筋试样长度方向各截面在0°、45°、90°和135°角度下的直径。随后，将钢筋按图1所示切割为三部分。
图7展示了使用四种和五种方法分别测量的440 mm长中间段和30 mm长端部未腐蚀钢筋试件沿长度方向的横截面积。
图8展示了使用3D扫描和XCT方法分别测量的腐蚀钢筋试样的空间图像及三个横截面。
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讨论
图6A 和 6B 显示，未腐蚀钢筋试件的实测直径沿其长度方向无明显变化。沿钢筋长度方向实测直径之间的最大差值仅为约0.11 mm，最大偏差为0.7%。这表明，使用游标卡尺可以较好地评估未腐蚀钢筋的几何尺寸。然而，同一横截面在不同角度处测得的直径始终存在明显差异。对于该钢筋试件，最大直径14.62 mm和最小直径14.05 mm分别出现在45°和135°方向，最大偏差达4%。换言之，未腐蚀钢筋的横截面并非完美的圆形，而是呈椭圆形。因此，在根据实测钢筋直径直接计算实际横截面积时，应特别注意钢筋直径的测量方法。
除了使用游标卡尺测量光圆钢筋的直径外，我们还采用了XCT和3D方法来测量肋钢筋的横截面，因为游标卡尺难以准确测量此类钢筋。我们发现肋钢筋在不同角度下测得的直径也存在差异。本文采用光圆钢筋试样，因其可使用全部五种不同方法进行测量，便于比较。
混凝土结构中的钢筋主要承受拉力或压力。因此，在给定强度条件下，钢筋的承载能力取决于其横截面积。.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
中国深圳大学的作者们非常感谢国家自然科学基金委员会（项目编号：51520105012 和 51278303）以及广东省教育厅（重点）项目（编号：2014KZDXM051）提供的经费支持。同时感谢深圳大学土木工程学院广东省滨海土木工程耐久性重点实验室提供试验设施与设备。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| <强>材料与试剂 | |||
| 塑料尺子 | Deli 集团有限公司 | 6240号 | |
| 白色油漆笔 | SINO PATH 企业有限公司 | SP-110 | |
| 带分支的管子 | 定制化生产 | ||
| 量筒 | 北京华科博美克斯玻璃有限公司 | ||
| 500 mL 烧杯 | 北京华科博美克斯玻璃有限公司 | CP-201 | |
| 砂纸 | 上海正午装饰材料有限公司 | P04 | |
| 白色显影剂 | 上海新美达探伤材料有限公司 | FA-5 | |
| <强>试剂 | |||
| 环氧树脂胶粘剂 | 湖南八兄弟新材料有限公司 | DY·E·44 | |
| 环氧固化剂 | 湖南八兄弟新材料有限公司 | DY·EP | |
| HCl | 东莞东江化学试剂有限公司 | AR-2500ml | |
| 饱和石灰水 | Xilong Chemical Co., Ltd. | AR-500g | |
| <强>仪器设备 | |||
| 电子天平 | 开封集团有限公司 | 型号 JCS-0040 | |
| 数字游标卡尺 | 上海测量 & 切削工具有限公司 | 模型 ST-089-229-090 | |
| 切割机 | 罗伯特·博世有限公司 | TCO2000 | |
| 三维重建X射线显微镜 | XRADIA | Model MICROXCT-400 | |
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| 万能电液伺服试验机 | MTS 系统（中国）有限公司 | 模型 C64.305 |
参考文献
- Cavaco, E. S., Bastos, A., Santos, F. A. D. Effects of corrosion on the behaviour of precast concrete floor systems. Construction & Building Materials. 145, (2017).
- Cavaco, E. S., Neves, L. A. C., Casas, J. R. On the robustness to corrosion in the life cycle assessment of an existing reinforced concrete bridge. Structure and Infrastructure Engineering. 14 (2), 137-150 (2017).
- Muthulingam, S., Rao, B. N.
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重印与许可
